[发明专利]一种基于碳化硅材料的肖特基微型核电池及其制备方法

说明书

本发明提供的一种基于碳化硅材料的肖特基微型核电池，包括：碳化硅单晶衬底、碳化硅一维纳米线阵列、肖特基接触电极、欧姆接触电极和放射源层；碳化硅一维纳米线阵列位于碳化硅单晶衬底的正面，碳化硅一维纳米线阵列具有N型掺杂区域；肖特基接触电极包括势垒金属层和N型掺杂区域，势垒金属层的表面形状为叉指状；欧姆接触电极位于碳化硅单晶衬底的背面；放射源层位于所述势垒金属层的上方；本发明提供的微型核电池结构新颖合理、能量转换效率较高、制备成本较低，适用于半导体微器件领域。

技术领域

本发明涉及半导体微器件的技术领域，具体涉及一种基于碳化硅材料的肖特基微型核电池及其制备方法。

背景技术

微型核电池是通过半导体二极管作为能量转换结构，将放射性同位素衰变所放射出的粒子能(如α粒子、β粒子和γ射线)转换为电能的装置。通常，微型核电池是借助放射性同位素发射的辐射粒子在半导体材料中的电离效应作为能源，收集辐辐射粒子在半导体中产生的电子-空穴对来产生输出功率。它具有能量密度大、体积小、寿命长、工作稳定性好和易于集成等优点，且其换能结构简单，加工工艺成熟，具有广阔的发展前景，被用作各种存储器和MEMS系统的动力源，以及航天等极端情况下的长寿命、长期工作无需维护的移动电源。一般来说，微型核电池是由放射源和半导体换能单元这两个主要部分组成，其中半导体换能单元是核心，其性能的高低决定了核电池的转换效率和能量密度等主要性能参数。

碳化硅作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、抗辐射能力强等优点，基于SiC材料的核电池具有更高的开启电压、更低的漏电流、更高的能量转换效率和持续稳定的电能输出。值得指出的是，SiC是目前唯一可以用热氧化法生长高质量SiO₂钝化层的化合物半导体，而且与硅半导体平面工艺相兼容，这使其成为国内外微型核电池研究的热点。目前国际上已经报道了碳化硅基微型核电池的研究，如2012年西安电子科技大学的张玉明课题组制备了4H-SiC PIN微电池“4H-SiCβ射线核电池和探测器的研究，2012年西安电子科技大学硕士毕业论文，张玉娟”，其在Ni-63源的辐照下，电池的有效转换效率达到了2.69％。

虽然国际和国内已经出现对碳化硅核电池的研究，但是目前所报道的碳化硅基核电池的转化效率仍然较低，这主要是由以下问题引起的：

1、换能单元结构的问题：根据现有文献和相关专利报道，基于碳化硅材料的微型核电池，其换能结构大多采用薄膜结构，这些薄膜结构一般来说是借助化学气相法同质外延制备而成，基于这种多晶薄膜的核电池在工艺和结构上均存在一定的缺陷，如采用同质外延的制备的P型层往往掺杂浓度不高，给P型欧姆接触的制备带来困难；同时多晶薄膜过多的表面缺陷和体缺陷使器件的漏电流和暗电流增大，从而影响电池最终性能。同时，对于大多数基于p-n结或p-i-n结式微型核电池来说，都需要在p-n 结或p-i-n结两侧做欧姆接触，但是在p型碳化硅上作欧姆接触是非常困难的。并且为了形成良好的欧姆接触，大多采用离子注入的方式对碳化硅进行选择性区域高掺杂，但是注入之后必须进行温度为1400～1700℃的高温退火，且退火过程中必须对碳化硅表面进行保护以避免产生沟状的表面结构，因此造成了p-n结或p-i-n结式核电池的工艺复杂，从而相应地增加了制造成本。

2、换能单元与辐射源的接触面积的问题

由于传统的换能单元均为体材料或薄膜材料，虽然可以通过电化学腐蚀制备出倒三角、凹槽、金字塔等结构来增大器件与辐射源的接触面积，但是这种有益结果非常有限，进而极大地限制了粒子的捕获和能量的转换效率。同时，为了实现一定的转换效率，不得不提高放射源的使用量，继而增加核电池的使用成本。另外，基于碳化硅薄膜的PN结构中，为了防止欧姆接触电极阻挡入射粒子，必须将欧姆电极做在器件的某一角，这会造成离欧姆电极远的辐照生载流子在输运的过程中被表面的缺陷复合掉，造成能量损失，降低能量转换效率。除此之外，现有的大多数肖特基结核电池均采用肖特基结的耗尽区作为灵敏区的一部分来收集辐照生载流子，通常这些肖特基接触层均会覆盖整个电池区域，即肖特基电极完全遮挡了换能单元，而由于平面结构的换能单元的表面积较为有限，最终使得整个核电池的粒子捕获能力和能量转换效率都较低。